极端气候“狂飙”，能预知吗？

导读

连续41天高温预警、热射病死亡、鄱阳湖汛期反枯、大面积缺电、作物减产和重庆野火等字眼都在炙热地提醒我们——2022年夏季高温热浪刚刚过去不久。南京信息工程大学王会军院士、尹志聪教授等在The Innovation的Commentary文章中指出，过去三年集中爆发的极端气候事件可能是1979年以来最强烈的，不仅给气候研究带来新的挑战，更给中国气候变化应对和防灾减灾带来巨大压力。

“最初，没有人在意这场灾难。这不过是一场大火，一次旱灾，一个物种的灭绝，一座城市的消失。直到这场灾难和每个人息息相关。”从2020年到2022年夏季，数十次极端气候事件在中国东部集中爆发，让越来越多的人开始留意《流浪地球》的这句著名旁白。

2020年，夏季超级暴力梅，7月西北太平洋首次空台[1]，秋冬春连旱和冬季极端冷暖转换[2]；2021年，春季超级沙尘暴[3]，郑州大暴雨[4]和东北雪灾；2022年，破纪录龙舟水和大范围极端高温热浪[5]（图1）。一次次极端天气气候事件没有给防灾减灾留下任何喘息时间，其机理认识不清和预测水平不足等问题也没有得到足够重视。

图1 2020-2022年夏季中国重大极端气候事件及其影响区域。彩色阴影为当前极端气候的主要影响范围，灰色阴影表示过去3年极端事件影响区域的叠加。

全球变暖背景下，极端气候表现出新的特征：持续性、破纪录、复合性和群发性。尽管全球气候变化往往被描述为全球增温，以及“干的更干，湿的更湿”等特征，但是显著的年际变化也值得被格外关注。过去三年，完全相反的极端状态频繁出现。例如，2020年发生了超级梅雨，但2022年梅雨极弱（图2a，b）；2020/21年冬季气温由冷向暖转换，但2021/22年却反向的由暖向冷转换（图2c，d）。气候系统的超强变率表明：极端气候预测是一个重大的科学挑战。

图2 (a)2020年和(b)2022年6~7月降水距平。(c)2020/21年和(d)2021/22年中国东部冬季逐日地面气温(黑线)和距平(柱形)。灰色线为1979/80年至2021/22年地面气温的气候平均态

当前研究普遍认为人类活动增加了极端热事件的发生概率，但将区域和局地强降水和干旱等归因于人类活动的可信度相对较低。多数研究表明：人类活动增加了东亚大陆尺度的强降水概率，但也有研究发现：人类活动导致2020年超级梅雨的发生概率减少了46%[6]。归因研究的可靠性在很大程度上取决于气候模式对极端气候和相关物理过程的模拟能力。值得关注的是，归因研究可为气候变化的预估、适应和减缓提供有效的科学支撑，但对次季节-季节预测的支撑能力很弱。

海-陆-气相互作用显著调节了极端气候的年际-年代际变化，提供了有效的预测信号。2020年秋冬季，北极冰-气系统的次季节反转、拉尼娜和北大西洋海温暖异常同时达到了很高的强度，协同激发了2020/21年中国东部极端冷暖转换，继而导致了2021年春季华北出现10多年未见的超级沙尘暴[3]。同样地，偏少的欧亚积雪和偏暖的北大西洋是导致2022年初夏破纪录龙舟水的关键因子，而伊朗高压和西太平洋副热带高压的异常打通直接导致了2022年中东部大范围持续高温热浪[5]。也就是说，某一特定极端气候并不是由单一诱因造成的，而是由多个高强度的气候因素共同导致，可预测性来源具有一定分散性。

更复杂的是，一个特定气候强迫因子也并不总是对应于某一极端气候的发生。例如，2020年秋冬季的拉尼娜促使华南地区发生持续的干旱；然而，拉尼娜持续到2021年，华南地区又出现了强降雨。这也使得极端气候的预测变得更具挑战性。

尽管极端气候的预测已有了一定进展，但预测水平仍然较低。一方面，海-陆-气关键过程在数值模式和统计模型中依然没有得到很好的描述；另一方面，全球变暖的背景下，气候因素也发生了快速变化，例如，ENSO（El Niño-Southern Oscillation）海温变率显著增强，北极海冰急剧消融等。因此，在科学研究中，应该综合考虑人类活动、气候系统内部变率及其相互作用对极端气候的影响，而不是偏颇地强调某一方面。

总结与展望

极端天气气候往往是风险和灾害链的发令枪，对极端气候及其后续风险的预测虽然是巨大的挑战，但同样有巨大的研究和应用价值[7]。未来研究重点包括：1、统计-动力相结合的预测技术。近年来人工智能在气候预测领域的蓬勃应用展现出了潜力，并且已经进入可解释的阶段；2、气候概率预测。从应用角度提早给出极端事件的发生概率，可以支撑防灾减灾工作。极端气候的快速归因和机理解析将有助于解释某个极端气候事件在多大程度上受到人类活动和气候系统内部变率影响，为提高极端气候的预测概率提供支持，这同时也是决策者和媒体的热点需求。

参考文献

[1] Wang, C., Wu, K., Wu, L., et al. (2021). What Caused the Unprecedented Absence of Western North Pacific Tropical Cyclones in July 2020? Geophys. Res. Lett. 48, e2020GL092282.

[2] Zhang, Y., Yin, Z., Wang, H., et al. (2021). 2020/21 Record-breaking Cold Waves in East of China Enhanced by the ‘Warm Arctic-Cold Siberia’ Pattern. Environ. Res. Lett. 16, 094040.

[3] Yin, Z., Wan, Y., Zhang, Y., et al. (2022). Why super sandstorm 2021 in North China? Natl. Sci. Rev. 9, nwab165.

[4] 国务院灾害调查组. 河南郑州“7·20”特大暴雨灾害报告. 2022; 1–44.

[5] 孙博, 王会军, 黄艳艳, 等, (2022). 2022年夏季中国高温干旱气候特征及成因探讨. 大气科学学报, Online.

[6] Zhou, T., Ren, L., Zhang, W. (2021). Anthropogenic influence on extreme Meiyu rainfall in 2020 and its future risk. Sci. China Earth Sci. 64, 1633–44.

[7] Wang, H., Dai, Y., Yang, S., et al. (2022). Predicting climate anomalies: a real challenge. Atmos. Oceanic Sci. Lett. 15, 100115.

责任编辑

胡元超    武汉大学

黄佳聪    中国科学院南京地湖所

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第二期以Commentary发表的“Climate extremes become increasingly fierce in China” (投稿: 2023-01-20；接收: 2023-02-18；在线刊出: 2023-02-20)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100406

引用格式：Yin Z., Zhou B., Duan M., et al. (2023). Climate extremes become increasingly fierce in China. The Innovation. 4(2),100406.

作者简介

王会军，中国科学院院士、挪威技术科学院院士，挪威卑尔根大学荣誉教授。现任中国气象学会理事长、世界气候研究计划联合科学委员会委员、南京信息工程大学学术委员会主任。长期从事气候变化与气候预测等方面的研究，发表SCI收录论文300余篇。主持了包括国家自然科学基金基础科学中心项目、重大项目、创新研究群体项目，以及“973”项目和国家重点研发计划项目等重大科研项目。曾荣获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、何梁何利科学与技术进步奖、国家杰出青年基金、全国优秀科技工作者和首批国家万人计划－百千万人才工程领军人才等荣誉。

Web: http://faculty.nuist.edu.cn/WangHuijun/zh_CN/index.htm

尹志聪，南京信息工程大学大气科学学院副院长，教授，博导。研究方向聚焦在中高纬气候系统变异与灾害性气候。近五年，主持了一项国家重点研发计划课题和两项国家自然基金项目（课题）；发表学术论文40多篇，其中第一/通讯作者SCI论文26篇；荣获2021年度“清华大学-浪潮集团计算地球科学青年人才奖”，入选江苏省“333高层次人才培养工程”和江苏省双创团队等。署名撰写的多部重大咨询报告和科普书籍获得了政府部门和社会各界的广泛关注。

Web: https://faculty.nuist.edu.cn/yinzhicong/zh_CN/index.htm